Jak działają wałki rozrządu

Wałek rozrządu (kliknij na obrazek, aby zobaczyć animację). Zobacz zdjęcia silników samochodowych.

Jeśli przeczytałeś artykuł Jak działają silniki samochodowe, wiesz o zaworach, które wpuszczają mieszankę paliwowo-powietrzną do silnika, a spaliny z silnika. Wałek rozrządu wykorzystuje krzywki (tzw krzywki), które naciskają na zawory, aby je otworzyć, gdy wałek rozrządu obraca się; sprężyny zaworów przywracają je do pozycji zamkniętej. Jest to krytyczna praca i może mieć duży wpływ na osiągi silnika przy różnych prędkościach. Na następnej stronie tego artykułu możesz zobaczyć animację, którą stworzyliśmy, aby naprawdę pokazać różnicę między wydajnym wałkiem rozrządu a standardowym.

Z tego artykułu dowiesz się, jak wałek rozrządu wpływa na osiągi silnika. Mamy kilka świetnych animacji, które pokazują, jak różne układy silników pojedyncza kamera górna (SOHC) i podwójna kamera górna (DOHC), naprawdę działa. A następnie omówimy kilka zgrabnych sposobów, w jakie niektóre samochody dostosowują wałek rozrządu, aby mógł wydajniej obsługiwać różne prędkości silnika.

Zacznijmy od podstaw.

Podstawy wałka rozrządu

Kluczowymi częściami każdego wałka rozrządu są płaty. Gdy wałek rozrządu obraca się, krzywki otwierają się i zamykają zawory dolotowe i wydechowe zgodnie z ruchem tłoka. Okazuje się, że istnieje bezpośredni związek między kształtem krzywek rozrządu a pracą silnika w różnych zakresach prędkości.

Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, wyobraź sobie, że uruchamiamy silnik bardzo wolno - przy zaledwie 10 lub 20 obrotach na minutę (RPM) - tak, że wykonanie cyklu zajmuje tłokowi kilka sekund. Niemożliwe byłoby tak powolne uruchamianie normalnego silnika, ale wyobraźmy sobie, że moglibyśmy. Przy tej małej prędkości chcielibyśmy ukształtować krzywki tak, aby:

• Gdy tłok zaczyna poruszać się w dół w suwie ssania (zwanym górnym martwym punktem lub TDC), zawór dolotowy otworzy się. Zawór dolotowy zamyka się zaraz po opadnięciu tłoka.
• Zawór wydechowy otworzyłby się zaraz po opadnięciu tłoka (zwanym dolnym martwym punktem lub BDC) na końcu suwu spalania i zamknie się, gdy tłok zakończy suw wydechu.

Taka konfiguracja działałaby naprawdę dobrze dla silnika, o ile pracowałby przy tak małej prędkości. Ale co się stanie, jeśli zwiększysz obroty? Dowiedzmy Się.

Gdy zwiększysz obroty, konfiguracja 10 do 20 obrotów na minutę dla wałka rozrządu nie działa dobrze. Jeśli silnik pracuje z prędkością 4000 obr / min, zawory otwierają się i zamykają 2000 razy na minutę lub 33 razy na sekundę. Przy tych prędkościach tłok porusza się bardzo szybko, więc mieszanka paliwowo-powietrzna wpadająca do cylindra również porusza się bardzo szybko.

Kiedy zawór dolotowy otwiera się i tłok rozpoczyna suw ssania, mieszanka paliwowo-powietrzna w kolektorze dolotowym zaczyna przyspieszać do cylindra. Zanim tłok osiągnie dno swojego suwu ssania, powietrze / paliwo porusza się z dość dużą prędkością. Gdybyśmy zatrzasnęli zawór dolotowy, całe to powietrze / paliwo zatrzymałoby się i nie dostałoby się do cylindra. Pozostawiając zawór dolotowy otwarty nieco dłużej, pęd szybko poruszającego się powietrza / paliwa kontynuuje wtłaczanie powietrza / paliwa do cylindra, gdy tłok rozpoczyna suw sprężania. Zatem im szybciej pracuje silnik, tym szybciej porusza się powietrze / paliwo i tym dłużej chcemy, aby zawór dolotowy pozostał otwarty. Chcemy również, aby zawór otwierał się szerzej przy wyższych prędkościach - ten parametr nazywa się skok zaworu, zależy od profilu krzywki.

Poniższa animacja pokazuje, jak plik zwykła kamera i a kamera wydajności mają inny rozrząd. Zauważ, że cykle wydechu (czerwone kółko) i dolotu (niebieskie kółko) nakładają się bardziej na krzywkę wydajności. Z tego powodu samochody z tego typu krzywkami zwykle jeżdżą bardzo szorstko na biegu jałowym.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Dwa różne profile kamer: kliknij przycisk pod przyciskiem odtwarzania, aby przełączać się między kamerami. Kółka pokazują, jak długo zawory pozostają otwarte, niebieskie dla wlotu, czerwone dla wydechu. Nakładanie się zaworów (gdy zawory dolotowy i wydechowy są otwarte w tym samym czasie) jest podświetlone na początku każdej animacji.

Każdy wałek rozrządu będzie doskonały tylko przy jednej prędkości obrotowej silnika. Przy każdej innej prędkości obrotowej silnik nie będzie osiągał pełnego potencjału. ZA stały wałek rozrządu jest zatem zawsze kompromisem. Dlatego producenci samochodów opracowali schematy zmieniania profilu krzywki wraz ze zmianą prędkości obrotowej silnika.

Istnieje kilka różnych konfiguracji wałków rozrządu w silnikach. Porozmawiamy o niektórych z najczęstszych. Prawdopodobnie słyszałeś terminologię:

• Pojedyncza kamera górna (SOHC)
• Podwójna górna krzywka (DOHC)
• Popychacz

W następnej sekcji przyjrzymy się każdej z tych konfiguracji.

Uszkodzenie spowodowane uderzeniem tłoka w zawór

Pojedyncza kamera górna

Ten układ oznacza silnik z jedna krzywka na głowę. Więc jeśli jest to rzędowy 4-cylindrowy lub rzędowy 6-cylindrowy silnik, będzie miał jedną krzywkę; jeśli jest to V-6 lub V-8, będzie miał dwie krzywki (po jednej na każdą głowicę).

Krzywka uruchamia wahacze, które naciskają na zawory, otwierając je. Sprężyny przywrócić zawory do ich pozycji zamkniętej. Te sprężyny muszą być bardzo mocne, ponieważ przy wysokich obrotach silnika zawory są bardzo szybko dociskane i to one utrzymują kontakt zaworów z wahaczami. Gdyby sprężyny nie były dostatecznie mocne, zawory mogłyby odskoczyć od wahaczy i odskoczyć. Jest to niepożądana sytuacja, która spowodowałaby dodatkowe zużycie krzywek i wahaczy.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Pojedyncza kamera górna

W silnikach z pojedynczą i podwójną krzywką górną krzywki są napędzane przez wał korbowy za pośrednictwem paska lub łańcucha zwanego pasek rozrządu lub łańcuch rozrządu. Te pasy i łańcuchy należy wymieniać lub regulować w regularnych odstępach czasu. Jeśli pasek rozrządu pęknie, krzywka przestanie się obracać, a tłok może uderzyć w otwarte zawory.

Powyższe zdjęcie pokazuje, co może się stać, gdy tłok uderzy w otwarty zawór.

Podwójna kamera górna

Posiada silnik z podwójną krzywką górną dwie krzywki na głowę. Więc silniki rzędowe mają dwie krzywki, a silniki V mają cztery. Zwykle w silnikach z czterema lub więcej zaworami na cylinder stosuje się podwójne krzywki górne - pojedynczy wałek rozrządu po prostu nie może pasować do wystarczającej liczby krzywek rozrządu, aby uruchomić wszystkie te zawory.

Głównym powodem stosowania podwójnych krzywek górnych jest dopuszczenie większej liczby zaworów dolotowych i wydechowych. Więcej zaworów oznacza, że ​​gazy dolotowe i wydechowe mogą przepływać swobodniej, ponieważ jest więcej otworów, przez które mogą przepływać. Zwiększa to moc silnika.

Ostateczna konfiguracja, którą omówimy w tym artykule, to silnik popychacza.

Silnik popychacza

Silniki popychacza

Podobnie jak silniki SOHC i DOHC, zawory w silniku popychacza znajdują się w głowicy, nad cylindrem. Kluczowa różnica polega na tym wałek rozrządu w silniku popychacza znajduje się wewnątrz bloku silnika, raczej niż w głowie.

Krzywka uruchamia długie pręty, które przechodzą przez blok do głowy, aby poruszać wahaczami. Te długie pręty zwiększają masę systemu, co zwiększa obciążenie sprężyn zaworowych. Może to ograniczyć prędkość silników popychaczy; wałek rozrządu w głowicy, który eliminuje popychacz z układu, jest jedną z technologii silnika, która umożliwiła osiągnięcie wyższych prędkości obrotowych silnika.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Silnik popychacza

Wałek rozrządu w silniku popychacza jest często napędzany przez koła zębate lub krótki łańcuch. Napędy zębate są generalnie mniej podatne na pękanie niż napędy pasowe, które często spotyka się w górnych silnikach krzywkowych.

Ważną rzeczą w projektowaniu układów wałków rozrządu jest zmiana rozrządu każdego zaworu. W następnej sekcji przyjrzymy się rozrządom zaworów.

System zmiennej krzywki stosowany w niektórych Ferrari

-Istnieje kilka nowatorskich sposobów, za pomocą których producenci samochodów zmieniają rozrząd zaworów. Nazywa się jeden system używany w niektórych silnikach Hondy VTEC.

VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) to elektroniczny i mechaniczny system w niektórych silnikach Hondy, który umożliwia silnikowi posiadanie wielu wałków rozrządu. Silniki VTEC mają dodatkowa krzywka wlotowa z własnym wahaczem, który następuje po tej krzywce. Profil tej krzywki utrzymuje zawór wlotowy otwarty dłużej niż inny profil krzywki. Przy niskich obrotach silnika ten wahacz nie jest podłączony do żadnych zaworów. Przy wysokich obrotach silnika tłok blokuje dodatkowy wahacz do dwóch wahaczy, które sterują dwoma zaworami dolotowymi.

Niektóre samochody używają urządzenia, które może wyprzedzić rozrząd zaworowy. Nie powoduje to dłuższego otwarcia zaworów; zamiast tego otwiera je później i zamyka później. Odbywa się to poprzez obrócenie wałka rozrządu do przodu o kilka stopni. Jeśli zawory dolotowe normalnie otwierają się przy 10 stopniach przed górnym martwym punktem (GMP) i zamykają się przy 190 stopniach po GMP, całkowity czas trwania wynosi 200 stopni. Czasy otwierania i zamykania można zmieniać za pomocą mechanizmu, który obraca krzywkę nieco do przodu, gdy się obraca. Więc zawór może się otworzyć przy 10 stopniach po GMP i zamknąć przy 210 stopniach za GMP. Zamknięcie zaworu 20 stopni później jest dobre, ale lepiej byłoby móc zwiększyć czas otwarcia zaworu dolotowego.

Ferrari ma naprawdę zgrabny sposób na zrobienie tego. Wałki rozrządu w niektórych silnikach Ferrari są nacięte trójwymiarowy profil która zmienia się na całej długości krzywki. Na jednym końcu krzywki znajduje się najmniej agresywny profil krzywki, a na drugim jest najbardziej agresywny. Kształt krzywki płynnie łączy te dwa profile razem. Mechanizm może przesuwać cały wałek rozrządu w bok, tak że zawór sprzęga się z różnymi częściami krzywki. Wałek nadal obraca się jak zwykły wałek rozrządu - ale poprzez stopniowe przesuwanie wałka rozrządu na boki wraz ze wzrostem prędkości obrotowej i obciążenia silnika można zoptymalizować rozrząd zaworowy.

Kilku producentów silników eksperymentuje z układami, które umożliwiałyby nieskończoną zmienność faz rozrządu. Na przykład wyobraź sobie, że każdy zawór miał na sobie solenoid, który mógł otwierać i zamykać zawór za pomocą sterowania komputerowego, zamiast polegać na wałku rozrządu. Dzięki tego typu systemowi uzyskasz maksymalną wydajność silnika przy każdej prędkości obrotowej. Coś, czego można oczekiwać w przyszłości…

Aby uzyskać więcej informacji na temat wałków rozrządu, rozrządów zaworów i powiązanych tematów, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Quiz na temat wałka rozrządu
• Quiz silnika
• -Jak działają silniki samochodowe
• Jak działają przełożenia
• Co robi system VTEC w silniku Hondy?
• Czy istnieje różnica między konfiguracjami silnika rzędowego i V.?

Więcej świetnych linków

• Samouczek dotyczący rozrządu zaworowego
• Instrukcje instalacji wałka rozrządu
• Częstotliwość wymiany paska rozrządu i oznaczenie zakłóceń
• Animacja wałka rozrządu
• Animacja Rocker Camshaft

-